坦克瞄准线稳定系统摩擦模型辨识研究

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1、坦克瞄准线稳定系统摩擦模型辨识研究韩斌HANBin；苏奎峰SUKui-feng（装甲兵工程学院，北京100072）摘要：针对坦克瞄准线稳定系统中存在的非线性摩擦扰动，为提高稳定精度，提出了一种基于简化的Stribeck摩擦模型在线辨识方法。利用遗传算法进行在线辨识，克服了坦克瞄准线稳定系统电机转动空间太小而带来的无法利用一般方法获取摩擦力矩Stribeck曲线的问题。仿真实验结果表明辨识方法确实有效，通过前馈补偿，坦克瞄准线稳定系统性能得到了很大提高。.jyqkb摩擦+粘滞摩擦模型并不能真实地反映摩擦现象的

2、动态过程。目前一般采用Stribeck模型与LuGre模型进行摩擦应用研究。文献[1]利用粒子群算法对炮控系统LuGre摩擦模型进行了辨识补偿研究[1]。文献[2]在对StriBeck摩擦模型辨识的基础上利用干扰观测器进行了摩擦补偿，取得了较好的仿真结果[2]。文献[3]从Stribeck模型入手，分析了非线性摩擦对炮控低速运行的影响，并比较了几种非模型补偿效果，为后续研究提供基础[3]。各种摩擦辨识方法不论采用Stribeck模型还是LuGre模型，都需要采样不同速度下的摩擦力矩绘制Stribeck曲线。

3、而坦克瞄准线稳定系统由于机械结构及工作原理限制电机只在有限角度范围内转动，无法像水平运动伺服机构一样获取速度摩擦力距曲线，速度不达要求，因此普通摩擦辨识方法并不适用。针对此种状况，本文提出利用遗传算法对坦克瞄准线稳定系统摩擦模型进行在线参数辨识，可以有效避免电机行程与速度制约，获取摩擦模型参数，达到摩擦模型辨识补偿的目的。1摩擦力矩简化模型选择合适的摩擦力矩模型对摩擦补偿尤为重要。目前能够比较好地反映摩擦过程且应用比较广泛的摩擦模型有Stribeck模型与LuGre模型。前者属于静态模型，后者属于动态模型。

4、LuGre模型由于参数较多，模型复杂，算法处理时间增加导致应用滞后，若参数辨识不准，非但不能正确反映摩擦动态特性，还将影响整个模型的精确性。而实际应用中基于Stribeck曲线特征的静态模型应用比较广泛，且静态模型能够对整个摩擦特性做到90%的近似。所以，本文采用该模型作为摩擦力距模型[4]。Stribeck摩擦模型定义两个物体之间的摩擦力距为相对速度的函数。这种对应关系通常被称作Stribeck曲线。数学表达式为式（1）和式（2）[5]。由于Stribeck曲线具有非线性，在控制系统中计算量比较大，且不容

5、易调整。同时待辨识参数中偏导数取值不同，对函数值的影响不同，造成了一些参数很难直接准确辨识。因此有必要对Stribeck模型进行简化改进。目前改进方法一般有泰勒展开简化和分段线性函数简化。针对本系统速度值变化范围比较小以及追求程序运算快速性的特点采用分段函数曲线来简化逼近Stribeck曲线[6]。对（2）式求一阶二阶导，得到式（3）与式（4），以便确定Stribeck曲线的走向。因为曲线关于原点对称，因此只考虑速度为正的情况。经过转换可知，待辨识参数为（y1，y2，x2，k2），相比较原待辨识参数，它们对

6、函数图形的影响比较大，因此辨识相对而言较为容易，简化表达式确实可行。2基于遗传算法的摩擦模型在线参数辨识2.1待辨识系统模型坦克瞄准线稳定系统采用直流力矩电机伺服，电机由电流直接驱动控制，伺服系统由位置环、速度环与电流环三环控制。为了减少误差累计与多重控制器对摩擦辨识的影响，取消速度环与位置环，保留电流环，简化系统数学模型[7]。将转角误差ｅ和电机转速作为遗传算法的输入，对摩擦补偿模型进行在线参数优化辨识，得到模型的相关参数，进而确立相应的摩擦补偿模型，用来补偿摩擦给数控直流伺服系统带来的干扰[8]。简化系

7、统摩擦参数在线辨识原理图如图1所示。图中K为电流环反馈系数，本实验中选取为1；Mf为摩擦干扰，Mfb摩擦前馈补偿；Gs为电流环PI控制器。通过DSP系统采样电流环输入输出数据，经过三次样条插值处理获取电流环阶跃响应曲线，以先验知识为基础确定待辨识系统模型阶次，并利用改进遗传算法对阶跃响应曲线进行参数辨识，获取的电流环闭环数学模型为：其余参数包括电机力矩系数Cm=4.35Nm/A；系统转动惯量J=0.1kg·m2。2.2遗传算法设计遗传算法作为一种全局寻优的优化算法，有着并行操作与全局寻优的优点，近年来无论是

8、理论研究或是工程应用都取得了长足的发展，但是算法本身为迭代运算，计算时间较长，因此本文加以改进，采用变位变概率变异算子，使收敛速度加快。并对适应度函数重点进行了设计，达到了更好的辨识效果[9]。对进行参数辨识时，取分段线性函数的四个参数耦合编码为样本个体。采用十进制编码对待辨识参数模型进行染色体编码，省去了每个个体进制之间的转换，减少了在线算法所需的运行时间。初始种群的选择采用在计算机随机产生初始种群。遗传算子中